車床加工切削參數(shù)的切屑仿真實驗

賀戴軼民

(同濟(jì)大學(xué) 浙江學(xué)院,浙江 嘉興 314051)

為了使機(jī)床正常穩(wěn)定地工作,提高加工的經(jīng)濟(jì)性,需優(yōu)化切削條件、刀具幾何形狀及刀具壽命。很多學(xué)者對金屬切削原理進(jìn)行研究,通過切削試驗及現(xiàn)場采集積累了大量的切削數(shù)據(jù),利用數(shù)學(xué)模型來表達(dá)刀具壽命、切削力、功率及加工表面粗糙度等不同切削條件之間的關(guān)系,提升了切屑成型及控制效果。

1 切削碎片的形狀及形成原理

基本切屑類型包括帶狀切屑、擠裂切屑、單元切屑、崩碎切屑(由加工脆性材料得到的)。切削過程的本質(zhì)是剪切滑移斷裂的過程[1],不可控條件為積屑瘤(不穩(wěn)定,引起刀具前角的變化,碎裂后嵌入工件表面,改變表面性能)。碎屑類型如圖1所示。

切削原理是當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜr,切削層的金屬經(jīng)剪切面發(fā)生塑性滑移、變形,成為切屑,經(jīng)過刀具前刀面后卷曲變形形成一個等螺距螺旋形狀的切屑,其形狀可通過螺旋外徑(2ρ)、螺距(p)、螺旋面與軸的夾角(θ)來確定。切屑流出后,受工件、刀具及機(jī)床等的影響,引起再度變形或折斷,從而產(chǎn)生各種類型的切屑,故各種類型的切屑均可視為螺旋切屑的演變及組合[2]。

切削力是刀具前后兩面都承受法向力及摩擦力,這些力組成切削合力(F)。一般在外圓車削時會將這個切削合力分解為3個互相垂直的分力,即切向力(Fτ),在切削速度的方向上垂直于刀具基面,常稱主切削力。徑向力(Fr),在平行于基面的平面內(nèi),與進(jìn)給方向垂直,也稱為推力。軸向力(Fa),在平行于基面的平面內(nèi),與進(jìn)給方向平行,也稱為進(jìn)給力。通常情況下,Fτ最大,Fr與Fa較小。由于刀具的幾何參數(shù)、刃磨質(zhì)量、磨損情況不同及切削條件的改變,Fτ、Fr與Fa的比值也會大幅度改變。切削震動是切削過程中刀具與工件之間產(chǎn)生的自由振動、強(qiáng)迫振動及自激振動(顫振)等機(jī)械振動。自由振動是由機(jī)床零部件受到某些突然沖擊引起的,會逐漸衰減。強(qiáng)迫振動是由機(jī)床內(nèi)部或外部持續(xù)的交變干擾力(如不平衡的機(jī)床運動件、斷續(xù)切削等)引起的,它對切削產(chǎn)生的影響取決于干擾力大小及頻率。自激振動是刀具與工件之間受到突然干擾力(比如切削過程中遇到硬點)而引起的初始振動,使刀具前角、后角及切削速度等發(fā)生變化并從穩(wěn)態(tài)作用的能源中獲得周期性作用的能源,促進(jìn)并維持振動。通常情況下,切削條件可能產(chǎn)生的各種原生型自激振動會在加工表面上留下振紋,還會產(chǎn)生再生型自激振動[3]。

圖2 切削變形Fig.2 Cutting deformation

2 切削碎片的形狀數(shù)據(jù)及虛擬仿真

2.1 虛擬仿真實驗數(shù)學(xué)模型

在金屬切削加工過程中,切屑形狀各種各樣,若想要實現(xiàn)切屑形成過程的仿真,必須將切屑形狀參數(shù)化,根據(jù)加工條件來計算這些參數(shù)。國內(nèi)外學(xué)者對切屑形狀及形成進(jìn)行了大量研究,已建立了十幾種切屑形成模型,在切屑流動方向、切屑卷曲機(jī)理及切屑折斷方式等方面取得了重要的成果。但切屑問題極其復(fù)雜,許多研究還處于定性分析階段,特別是切屑橫向卷曲還沒有量化計算方法。本研究根據(jù)切屑形成原因及變形規(guī)律給出切屑分類,分析切屑量化的基本參數(shù),建立切屑形狀參數(shù)數(shù)學(xué)模型,為螺旋切屑各個形狀參數(shù)生成條件的實驗仿真提供數(shù)據(jù)。

從切削機(jī)理方面來看,影響螺旋形切屑形狀的因素包括上向卷曲曲率(1/ρx)x、橫向卷曲曲率(1/ρy)z及切屑流出角(φ)。根據(jù)以上參數(shù),切屑形狀參數(shù)可表示為:

2.2 材料選擇及屬性的定義

為保證仿真結(jié)果更接近實際情況,選用的工件材料為彈塑性模型,刀具的屬性定義為剛性。選擇的材料與實驗加工材料相對應(yīng),輸入正交材料屬性(楊氏模量、泊松比及材料密度等)[4]。以鐵為加工材料,研究不同加工參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、刀具水平移速、刀具加工深度、刀具前角等)下碎屑的產(chǎn)生原因。

2.3 設(shè)定切削變量

假設(shè)工件在切削過程中無限長,但在仿真模型中不可能是無限長,故取切削過程的中間段數(shù)據(jù),忽略邊界效應(yīng),分多組數(shù)據(jù)來測量,每一組仿真實驗都有其對照組來控制單個變量,重點控制切削深度及進(jìn)給量這兩參數(shù)。仿真實驗符合實際情況。圖3是在軟件中模擬切削加工、數(shù)據(jù)分析過程[4]。

3 研究數(shù)據(jù)的總結(jié)與碎片形成問題的解決

3.1 計算切屑空間運動軌跡形成參數(shù)

輸入已知參數(shù),包括切削深度(背吃刀量)、進(jìn)給量、切削速度、斷屑槽寬度、斷屑槽高度、法前角、刀尖圓弧半徑、主偏角及刃傾角。計算切屑空間運動軌跡形成參數(shù),包括切屑上卷半徑、橫卷半徑、背出屑角及側(cè)流屑角。

3.2 計算切屑形狀參數(shù)

根據(jù)第一步的計算結(jié)果計算切屑形狀參數(shù),包括螺旋線的回轉(zhuǎn)半徑R(mm)、切屑運動軌跡螺旋線的螺距P(mm)、切屑螺旋面與回轉(zhuǎn)軸線之間夾角θ(°)[5]。

3.3 計算螺旋形切屑軸截面參數(shù)

根據(jù)幾何關(guān)系可求出螺旋形切屑軸截面參數(shù),包括切屑厚度hch、切屑寬度bcb及切屑偏角Kch,它們將直接影響切屑形狀尺寸。

圖3 軟件中模擬切削加工Fig.3 Simulation cutting in software

3.4 實驗過程

選定一種刀具,刀具幾何參數(shù)確定。調(diào)整不同的切削深度ap(mm)及進(jìn)給量f(mm/r),分別得到不同形態(tài)的切屑,實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 刀具幾何參數(shù)

由表1可知,螺旋切屑主要由切削進(jìn)給量和切削深度[5]決定。

被切削材料的彈性模量、強(qiáng)度、比熱容與刀具摩擦系數(shù)、導(dǎo)熱效果、泊松比等都會影響最終切屑的形成。但本次仿真實驗條件有限,除去了對結(jié)果影響不大的細(xì)節(jié)因素。螺旋切屑產(chǎn)生時,進(jìn)給量和切削深度之間并沒有固定的比值,而是結(jié)合材料強(qiáng)度、剛度、彈性模量這些主要因素來確定取值范圍。不同形狀的切屑形成過程沒有具體界線,只能通過改變切削條件來實現(xiàn)。本實驗數(shù)據(jù)忽略了溫度劇烈變化的影響,因為車削加工會使工件及刀具升溫,但不會使刀具及工件燙得發(fā)紅。工件和刀具溫度越高與空氣溫差越大,散熱效果越好,當(dāng)加工產(chǎn)生的熱量和散熱達(dá)到平衡后,溫度基本不變,故在工件初步切削預(yù)熱之后開始測量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

碎屑基本是穩(wěn)定形成的,但最終外觀并不是完全相同的,每一塊碎屑都是隨機(jī)生成的,但總體形狀大致符合正態(tài)分布。從仿真結(jié)果來看,理論分析與實驗測量分別得到切削力與切削深度的關(guān)系曲線,都接近一條直線,體現(xiàn)了在其他切削參數(shù)都不變的情況下,切削力隨著切削深度的增大而線性增大的關(guān)系。通過對比各種切削深度下切削力的分析值與實測值發(fā)現(xiàn),對于鐵來說,分析值與實際測量值相差11%左右,因此切削力的模擬值與實測值有具有較好的一致性,誤差不大,具有參考價值。